炭素材料课件

炭素材料Carbonmaterial矿物加工工程系12/19/20221引言12/19/20222Outline碳与炭的区别浅谈石墨烯12/19/20223碳与炭的区别“炭”是古已有的汉字，早见于后汉“说文解字中”，在“碳“字出现之前，不管是天然炭（煤炭）还是人造炭（木炭、煤炭）都用的是“炭”字。“碳”字则是在上世纪30年代，随着近代自然科学发展，特别是化学元素的发现和发展才在我国出现的，当时民国政府教育部在“化学命名原则”中，明确将元素周期表中原子序数第6号的“C”命名为非金属类中的“碳”。英语“Carbon”和日语“炭素”一词概指碳元素，又指炭材料。材料和元素属两种不同概念，用同一词表示必然性常引起混乱。“国际碳术语与表征委员会”曾建议将元素碳（Carbonaselement）和材料类（CarbonasSolid）加以区分，并提出一些办法，但仍不能解决问题。我国的汉字恰好有对应的“炭”和“碳”两字，因此我们应很好地沿用这两个汉字的文化优势。12/19/20225碳与炭的区别基于上述原则“全国科学名词审定委员会”早在2003年4月便提出了征求意见稿，将“炭”“碳”二字的用法予以明确区别。2006年“中国科技术语”，进一步规范了这两字的用法。简而言之，凡对应元素C及其相关的衍生词派生词均用“碳”,如碳元素，碳键，二氧化碳，渗碳等，而以含碳元素为主的其他物质和材料则用“炭”，如煤炭、焦炭、炭黑、炭纤维等。“碳化”是指溶液中通过CO2生成碳及碳酸盐的过程，而“炭化”指有机物热解后生成“炭”的过程；“炭材料”一般指有机物炭化后形成的材料，如炭纤维、炭电极、活性炭等；“碳材料”则指含碳元素在99.9%以上的物质，如碳纳米管、碳60等。12/19/20226浅谈石墨烯2010年若贝尔物理学奖授予了谁？为什么？随着2010年诺贝尔物理奖颁给英国曼彻斯特大学51岁的俄裔荷籍教授安德烈·海姆和曾是他的博士生36岁的俄裔英、俄双重国籍的教授康斯坦丁·诺沃肖洛夫之后，“石墨烯”这一专业名词突然进入人们的眼帘，并广为人知，但石墨烯是什么？它存在于何处？用什么办法可以制得？它又有什么实用价值？12/19/20227浅谈石墨烯就在我们身边其实，石墨烯就在我们身边，铅笔痕中就有。

6B铅笔芯是由80%石墨加20%粘土制成，字迹越黑表示字迹中石墨烯的层数也就更多。早在1564年德国就已经开始用石墨工业规模制造铅笔，但是直到1779年人们才知道石墨是碳元素的一种物质形式，并用希腊词意为“写”的“graphite”为其命名。石墨是一层层的按六角形排列的碳原子网面，因层间分子间的相互作用力而平行堆叠，其中的每一张网平面就是石墨烯。如同一张铁丝网，如图所示。12/19/20228TheNobelPrizeinPhysics2010wasawardedjointlytoAndreGeimandKonstantinNovoselov"forgroundbreakingexperimentsregardingthetwo-dimensionalmaterialgraphene"

THENOBELPRIZEINPHYSICS2010

安德烈·盖姆康斯坦丁·诺沃肖罗夫12/19/202210Grapheneisaformofcarbon.Asamaterialitiscompletelynew–notonlythethinnesteverbutalsothestrongest.Asaconductorofelectricityitperformsaswellascopper.Asaconductorofheatitoutperformsallotherknownmaterials.Itisalmostcompletelytransparent,yetsodensethatnotevenhelium,thesmallestgasatom,canpassthroughit.12/19/202212制备In2008:Autoconsumes60%ofallfuelconsumptioninChina12/19/202214背景12/19/202215表征12/19/202216表征Novoselovetal,Science306,666(2004)1μm0Å9Å13ÅSiO2SiAucontactsGRAPHENE1

m12/19/202217Graphene:easytomake,hardtofind.5mmpencil,paperandstickytape

12/19/202218理论到实验的历程2010年的物理学诺奖给K.S.Novoselov,A.K.Geim.在文告中给出了如下信息:

从1947年石墨烯概念的提出,到2004年成功制作成石墨烯的科学研究工作.这是一个历时近57年的过程.

而在1962-2000年的有关研究都给出:不能制作成石墨烯的“结论”.

但是，K.S.Novoselov,A.K.Geim等人,用1999年就被提出的方法，在提出者没有做成功的背景下,在2004年得到稳定的石墨烯片。

这项成果使得1929年就被提出的、在物理学上有重大理论价值的、有关Klein隧穿效应（二维Dirac方程）提供了检验（实验测量）的必要器件（2009年)。以及,测量分数量子Hall效应,精细结构常数等的方法.这就为:对近70年时间跨度的有关理论研究提供了实验研究的直接推动力.怀疑精神12/19/202220怀疑精神主线:理论到实验的历程1947年,提出石墨烯的概念,理论探讨(电子结构和线性频散关系):P.R.Wallace,Thebandtheoryofgraphite,Phys.Rev.71,622-634,

1947）1956年,建立石墨烯的激发态的波动方程:J.W.McClure,DiamagnetismofGraphite,PhysicalReview,104,666-671,19561984年,该方程与Dirac方程的相似性被发现:G.W.Semenoff,Condensed-mattersimulationofathree-dimensionalanomaly,PhysicalReviewLetters53,2449-2453,1984;以及,D.P.DiVincenzo&E.J.Mele,Self-consistenteffective-masstheoryforintralayerscreeningingraphiteintercalationcompounds,PhysicalReviewB,29,1685-1694,1984

1999年,提出实验方法,但是没有做成功:X.K.Lu,M.F.Yu,H.Huang,andR.S.Ruoff,TailoringGraphitewiththeGoalofAchievingSingleSheets,Nanotechnology,10,269-272,1999

12/19/202221怀疑精神虽然石墨烯早就为专业人士所知晓，但物理学家一直认为随物质厚度的降低，它变成蒸汽的温度也会急剧减小，当减小到单分子层时就会变得极不稳定，从而断定只有单原子厚度的石墨烯不可能单独存在。然而，2004年，海姆和诺沃洛夫第一次将目前世界上最薄的物质石墨烯分离出来，并成功地进行了一系列物理性质的测定，正如诺贝尔物理奖评审委员会指出，由于对这一“完美原子晶体”的“开创性实验”和“分离、认定和分类”，仅在6年后的今天两人便因此而获奖。12/19/202223问Geim为什么当时会想到去发现石墨烯？Geim说，首先我们有设备，可以研究小样品，其次我有一点低维系统方面的知识，我博士后的研究工作就是涉及低维系统的。第三个原因我戏称是我的科研恶习，那一段时间里，我关注碳纳米管那一拨人，恶心他们时不时地声称获得这样或那样牛的工作。我想我可以做一点不同于碳纳米管的东西，暗想为什么不把碳纳米管剖开呢？

"不做Research，做Search"

12/19/202224定义在有机化学中碳原子间有碳双键的烯烃类化合物，如，乙烯（ethylene）、丁烯（butene）、苯（benzene），命名时均以ene结尾，石墨烯是石墨中的一个单层，该单层又全部由碳原子经原子间的双键和单键联成的六角苯环状的网平面构成，因此被命名为graphene,当然其中文译名也就相应地成了“石墨烯”。12/19/202226结构

石墨烯层与相邻层之间的距离仅为0.335纳米（每一纳米为1毫米的百万分之一）。由于层间仅靠较弱的分子间相互吸引，因此只要在书写时稍加用力，铅笔芯内石墨中的石墨烯就会粘附在纸上，由于许多层的强烈的吸光能力而呈现黑色，形成字迹。12/19/202227范畴石墨烯是碳原子之间，如同手拉手一样，相互成键形成的一种碳分子，随加入碳原子数量的增多，网平面就能不断扩大，其分子也就随之变大。因此其尺度也就可大可小。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即只有0.335纳米，这一厚度约为头发的20万分之一，这样1毫米厚度的石墨中就将近有150万层左右的石墨烯。其实，任何物质都有长、宽、厚度，可以说都是三维的，但习惯上当某一方向为纳米级时，便认为可将其忽略。那么。究竟多少层才可算做是二维石墨烯材料？由于石墨烯的电子结构等性能随层数增加急剧改变，因此目前较为一致的意见是单层、双层、多层（3-10层）三种都可算是二维石墨烯材料,而超过10层的就被认为是石墨薄膜。12/19/202228特性b.硬使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺，从而测试它们的强度。让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。美国机械工程师杰弗雷·基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度：如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一支铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上，才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。12/19/202230特性c.快常温下具有极快的电子传输速率.(比曾经最快的半导体材料砷化镓快30倍,比硅快100倍,因此可以说是目前最快的半导体)

12/19/202231特性石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。12/19/202232特性石墨烯中碳原子间连接非常柔韧，受力时网面像吊床一样产生弯曲来保持其结构的稳定。其柔韧性和塑料薄膜一样，可以随意弯曲、折叠或者像卷轴一样卷起来。单层的石墨烯可使许多基础物理实验成为可能，例如量子力学效应，超导特性等，石墨烯只有长宽的二维形式是研究基础物理的最佳维度，它使物理研究更为丰富。12/19/202233特性石墨烯在接近“量子临界点”时其电子的行为就像一种近乎完美的液体（具有高度湍流性、极低的黏性）。石墨烯的这种不同寻常的低黏度及强烈的电子相互作用，为一些有趣的纳米电子应用提供了可能。通常情况下，材料的电阻不会随电压的改变而改变，但在石墨烯中却有这种可能。更为突出的是，石墨烯的传热速度比银和铜的高十多倍。单层石墨烯几乎完全透明，吸光率仅2.3%，但它却又十分致密，即使最小的气体原子氦也无法透过。

12/19/202234应用实际应用时，石墨烯的用途或许不可限量，海姆表示：“我希望石墨烯能像塑料一样改变我们的日常生活。”作为一种新“超级材料”，石墨烯可用于制造卫星、飞机、汽车，并应用于超级计算机的研发。石墨烯有望给微电子世界带来革命性变化。12/19/202235应用石墨烯将代替现有晶体管的材料硅，使电脑运行速度更快。石墨烯的应用将主要集中在场效应管、触摸屏、太阳能电池、复合材料等领域。石墨烯的电荷载体有高迁移率，使之可制成室温下的弹道晶体管，其开关时间有可能缩减到10-13秒以下，并且能在太赫兹的超高频率下运行。超导电子器件耗能少且开关时间更短，石墨烯的另一潜在应用是制作超导晶体管。目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，当硅材料的尺寸小于10纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管。此外，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。因此，普遍认为石墨烯将会最终替代硅，从而引发电子工业革命。

12/19/202236应用通过调整双分子层石墨烯的能带隙可以把它从金属转变到半导体，因此可在双层石墨烯的1平方毫米的片上装有数以百万计的不同的电子设备，并且这些装置可随意改装。而石墨烯发光二极管将能发出任何远至中红外范围的频率，它甚至可以用于激光材料，产生从太赫兹到红外的宽频率。

石墨烯拥有超凡的坚硬度、柔韧度、透明度和导电性，可以广泛应用于触摸屏和太阳能电池的制造中。韩国三星公司已在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上，制造出一块电视机大小的纯石墨烯，并用该石墨烯制造出一块柔性触摸屏。这是制造更加坚硬、廉价以及更加柔韧的透明电子器件的第一步。从理论上来讲，今后人们有可能将iPhone手机卷起，然后像铅笔一样将其别在耳后。12/19/202237应用石墨烯和单个心肌细胞之间能形成稳定接触，从而可实现对细胞中电生理信号的高灵敏度、非侵入式检测，将进一步发展为高集成纳米生物传感阵列。超级电容也称双电层电容器，是一种新型储能装置，能在几秒钟内完成充电，同时它还具有容量大、功率高、使用寿命长、经济环保等特点，在数码相机、掌上电脑、新能源汽车等领域都有着广泛的应用价值。由石墨烯制得的新电容器效率更高，能在更短的时间内完成充电。12/19/202238应用氧化石墨烯纳米悬液在与大肠杆菌孵育2小时后，对其抑制率可超过90%，氧化石墨烯的抗菌性源于其对大肠杆菌细胞膜的破坏。氧化石墨烯不仅是一种新型的优良抗菌材料，而且对哺乳动物细胞产生的细胞毒性很小，有望在环境和临床领域得到广泛的应用。在检测气体时石墨烯具有很低的噪声信号，可精确探测单个气体分子，使之在化学传感器和分子探针方向有潜在应用前景。已证实石墨烯可以吸收大量氢气，因而可望用于储氢器材中。和其它结构相比，石墨烯具有极高的电导率、热导率、及出色的机械强度；并且是单原子平面的二维晶体，将在高灵敏度检测领域具有独特的优势。12/19/202239令人神往的发展前景纸片般薄的超轻型飞机材料超坚韧的防弹衣代替硅生产超级计算机超导材料显微滤网12/19/202240令人神往的发展前景Dreamworld12/19/202241令人神往的发展前景甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门。美国研究人员称，“太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线！人类通过“太空电梯”进入太空，所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料，美国NASA此前还发出了400万美元的悬赏。12/19/202242令人神往的发展前景太空电梯效果图

太空电梯概念图12/19/202243制备12/19/202244制备方法加热SiC的方法加热单晶SiC

脱除Si,在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。具体过程是:将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热,除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后,将样品加热使之温度升高至1250℃～1450℃后恒温1min～20min,从而形成极薄的石墨层。轻微摩擦法或撕胶带法用另外一种材料与膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦,体相石墨的表面会产生絮片状的晶体,在这些絮片状的晶体中往往含有单层的石墨烯。化学分散法

将天然石墨絮片在二氯苯溶液中超声处理约5min,然后取一滴溶液滴在表面附着厚度为200nm的氧化膜的硅晶片上。最后,用异丙醇洗涤硅晶片,并在氮气中晾干,这样分散得到的石墨片层的厚度范围在几百纳米到几纳米之间,可以看到由单层石墨烯片层形成的几纳米厚的膜模板法在蒙脱土的层间形成了石墨烯片层,一旦脱除模板,这些片层就会自组装形成体相石墨12/19/202245制备方法12/19/202246制备方法不过据科学家称，尽管石墨在大自然中非常普遍，并且石墨烯是人类已知强度最高的物质，但科学家可能仍然需要花费数年甚至几十年时间，才能找到一种将石墨转变成大片高质量石墨烯“薄膜”的方法，从而可以用它们来为人类制造各种有用的物质。2008年8月，美国科学家证实，石墨烯是目前已知世界上强度最高的材料

12/19/202247最新研究进展《自然—纳米技术》：科学家发现可大量生产石墨烯的新方法

美国加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的YangYang和同事，将氧化石墨纸置于纯肼溶液中，这种溶液将氧化石墨纸压缩成了单层石墨烯。这是首次报道使用肼作为溶剂，生产出的石墨烯是比之前更为有效的电导体。研究人员还可以通过改变肼溶液的浓度和成分来控制石墨烯薄层的面积。同时，这种方法也能保存薄层的完整性，产生了迄今已知最大的石墨烯薄层——20微米×40微米。相关论文11月9日在线发表于《自然—纳米技术》（NatureNanotechnology）

12/19/202248（图片来源：VincentTung,MatthewAllen,AdamStieg）12/19/202249最新研究进展《自然》：大规模生产低成本石墨烯已成可能由韩国成均馆大学和三星先进技术研究院的研究人员制备出的这种最新石墨烯薄膜有1厘米厚，透光率达80%；在弯曲或延展过程中，它不仅不会断裂，其电学特性也不会有任何改变。

韩国研究人员使用了一种名为化学气相沉积的方法。首先，他们在硅衬底上添加一层300纳米厚的镍。然后，他们在1000摄氏度的甲烷中加热这一物质，再将它迅速降至室内温度。这一过程能够在镍层的上部沉积出6或10层石墨烯。用制作镍层图形的方式，研究人员能够制备出图形化的石墨烯薄膜。2009年1月14日发表在英国《自然》杂志网络版上12/19/202250图为韩国科学家最新制备出的石墨烯薄膜。这一工作使得大规模生产低成本的柔性石墨烯电子产品成为可能12/19/202251最新研究进展IBM研制出原子尺寸的双层石墨烯晶体管据《科技日报》2008年4月17日报道,美国IBM公司T·J·沃森研究中心的科学家,最近攻克了在利用石墨构建纳米电路方面最令人困扰的难题,即通过将两层石墨烯片叠加,可以将元器件的电噪声降低10倍,由此可以大幅改善晶体管的性能,这将有助于制造出比硅晶体管速度快、体积小、能耗低的石墨烯晶体管。有关研究结果发表在最新一期的《纳米通讯》上。12/19/202252一步法